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  隨著全球人口持續(xù)增長與淡水資源短缺矛盾的日益加劇，太陽能界面蒸發(fā)技術因其高效能、低能耗及環(huán)境友好性等優(yōu)勢，吸引了眾多研究人員的廣泛關注。水凝膠具有3D交聯(lián)高分子網(wǎng)絡，其多孔結(jié)構(gòu)不僅能夠有效負載光熱轉(zhuǎn)換材料，還能調(diào)控水分子結(jié)合狀態(tài)以顯著降低水蒸發(fā)焓。同時，水凝膠內(nèi)部可調(diào)控的水分運輸通道與熱傳導特性，使其在界面太陽能海水蒸發(fā)領域展現(xiàn)出獨特優(yōu)勢。目前，水凝膠陣列結(jié)構(gòu)的調(diào)控多為單一的定向或徑向結(jié)構(gòu)。而單一的定向或徑向結(jié)構(gòu)有其各自的優(yōu)缺點。比如：定向結(jié)構(gòu)具有快速的水運輸能力，但徑向結(jié)構(gòu)具有更好的熱約束性能。為了更好了利用定向和徑向結(jié)構(gòu)各自的優(yōu)勢，近期，蘇州大學紡織與服裝工程學院程絲教授團隊通過冷凍干燥技術一步法制備了具有徑向/定向組合結(jié)構(gòu)的水凝膠（圖1）。本研究開發(fā)了一種獨特的基于納米纖維水凝膠的太陽能蒸發(fā)器，其特點是結(jié)合了徑向/定向陣列結(jié)構(gòu)的各自優(yōu)勢，實現(xiàn)高效太陽能海水淡化。

  該工作以“Nanofibrous Hydrogel with Highly Salt-Resistant Radial/Vertical-Combined Structure for Efficient Solar Interfacial Evaporation”為題發(fā)表在《Small》上。文章第一作者是蘇州大學2022級研究生文勇，程絲教授和劉金鑫副教授為共同通訊作者。

圖1.PMS制備流程。

  該研究通過冷凍鑄造技術，在冷凍過程中控制冷凍溫度，達到控制冰晶生長的作用，實現(xiàn)了內(nèi)部垂直定向，外側(cè)徑向結(jié)構(gòu)的水凝膠。這種水凝膠協(xié)同利用了定向結(jié)構(gòu)的快速水運輸能力和徑向結(jié)構(gòu)的優(yōu)異的熱約束性能，顯著提高了其界面蒸發(fā)的性能。這種具有外部徑向通道和內(nèi)部垂直定向通道的一體化結(jié)構(gòu)使該蒸發(fā)器具有出色的水傳輸能力，并減少了熱量損失，從而實現(xiàn)了卓越的蒸發(fā)性能和高抗鹽性。在水凝膠中加入納米纖維不僅能增強水凝膠的穩(wěn)定性，還能促進水的傳輸。

圖2.PMS蒸發(fā)器的形貌結(jié)構(gòu)

  圖2為PMS-4氣凝膠狀態(tài)下的微觀結(jié)構(gòu)表征。如圖2 a-f可見，PMA的內(nèi)部呈現(xiàn)中心垂直排列的定向結(jié)構(gòu)，外部為橫向通道的徑向結(jié)構(gòu)。PMA的頂部SEM圖像可見，PMA的結(jié)構(gòu)沿徑向呈中心對稱模式排列分布（圖2 b）。徑向通道包含了大量微孔，有助于通道之間的鹽和水的運動（圖2 c）。PMS-4的中心區(qū)域則具有隨機孔洞，截面顯示其具有與外部不同的垂直孔道（圖2 d）。PMA的截面照片和SEM進一步證實（圖2 e和h）， 樣品具有中心為垂直排列的通道和兩側(cè)外部為水平方向的徑向排列通道。這是由于較高的冷凍溫度導致冰晶沿徑向的生長速率較為緩慢，使得外側(cè)冰晶能夠逐步向內(nèi)部延伸生長。在此過程中，相對于PMS-4中心區(qū)域，外圍冰晶的定向生長實際上構(gòu)建了一個天然的定向模具。此外，將PMA加入到CaCl₂溶液中進行離子交聯(lián)，形成纖維水凝膠，結(jié)構(gòu)未發(fā)生改變（圖2 i）。

圖3.PMS蒸發(fā)器的界面蒸發(fā)性能及機理分析和蒸發(fā)穩(wěn)定性

  MXene的加入使得PMS-4在250–2500 nm波段的光吸收率達92%（圖3 a），且在1 kW m^-2輻照下表面溫度升至36°C（純水僅27.2°C），紅外成像顯示其形成冷蒸發(fā)面（30.6°C），減少熱損失并利用環(huán)境能量（圖3 b,c）。蒸發(fā)速率隨暴露高度增加，2 cm時達4.62 kg m^-2 h^-1（效率146.57%），歸因于更大的側(cè)面吸熱面積（圖3 d,e）。DSC測試表明PMS-4中水的蒸發(fā)焓（1800 J g^-1）僅為純水的75%，得益于親水基團調(diào)控的中間水占比提升（圖3 f,g）。長期測試中，PMS-4在3.5 wt% NaCl溶液中保持穩(wěn)定蒸發(fā)（4.62 kg m^-2 h^-1），7次循環(huán)后仍維持高效（4.20±0.42 kg m^-2 h^-1），證實其耐久性（圖3 h,i）。

圖4.PMS蒸發(fā)器的拒鹽能力及拒鹽機理

  進一步發(fā)掘PMS-4的復合結(jié)構(gòu)優(yōu)勢，進行了對應的抗鹽測試。PMS-4在3.5-25 wt% NaCl溶液中表現(xiàn)出優(yōu)異耐鹽性：3.5 wt%溶液12小時無結(jié)晶，20 wt%溶液12小時少量結(jié)晶，25 wt%溶液10小時開始結(jié)晶（圖4 a）。其抗鹽性能優(yōu)于多數(shù)同類蒸發(fā)器（圖4 b），歸因于復合結(jié)構(gòu)和超親水基體的協(xié)同作用。鹽擴散實驗證實其垂直孔道可快速遷移鹽離子（圖4 c）。定向/徑向陣列結(jié)構(gòu)通過層狀通道實現(xiàn)高效輸水（圖4 d），內(nèi)部垂直通道促進鹽分回流。在不同鹽度（海水至20 wt% NaCl）中均保持穩(wěn)定蒸發(fā)性能（20 wt%時達3.99±0.05 kg m^-2 h^-1）。淡化后水質(zhì)符合飲用水標準（圖4 f）。與同類蒸發(fā)器相比，PMS-4在速率和效率上具優(yōu)勢（圖4 g），得益于定向結(jié)構(gòu)的輸水能力和徑向結(jié)構(gòu)的熱約束效應。

圖5.PMS蒸發(fā)器的實際應用

  為了探究PMS-4作為界面蒸發(fā)器的實用性，本研究在蘇州大學進行了戶外實驗。PMS-4在戶外測試中表現(xiàn)出優(yōu)異蒸發(fā)性能（圖5 a）。在30°C以上環(huán)境（高于室內(nèi)26°C），其蒸發(fā)速率達6.79 kg m^-2 h^-1，10小時產(chǎn)水量47.91 kg m^-2（圖5 b）。陰天條件下，2.01 cm2蒸發(fā)器仍可產(chǎn)480 g淡水（圖5 c）。7天實驗顯示產(chǎn)水量與輻照度、溫度呈正相關（圖5 d），性能穩(wěn)定。但受限于冷凝裝置設計，實際產(chǎn)水量仍有提升空間。

  綜上，該工作提出了一種基于納米纖維水凝膠的復合太陽能界面蒸發(fā)器，該蒸發(fā)器具有徑向/定向組合結(jié)構(gòu)，由外部徑向通道和內(nèi)部垂直排列通道組成的集成結(jié)構(gòu)顯著增強了蒸發(fā)器的水傳輸能力，并最大限度地減少了熱量損失。在太陽光照射下，蒸發(fā)器的水蒸發(fā)率達到4.62 kg m^-1 h^-2，能量利用效率高達149.57%，即使在高濃度鹽溶液中長時間運行也能保持高性能。此外，1 m²的PMS-4蒸發(fā)器在陰天可從3.5 wt%的模擬海水中產(chǎn)生至少24 kg淡水，在晴天可產(chǎn)生47.91 kg淡水，足以滿足淡水需求。這項研究驗證了所提出的內(nèi)部納米結(jié)構(gòu)在提高水凝膠蒸發(fā)器的效率、穩(wěn)定性和耐鹽性方面的功效。創(chuàng)新的PMS-4太陽能蒸發(fā)器標志著可持續(xù)高效海水淡化的一個重要里程碑，為全球提供了一個前景廣闊的解決方案。

  該工作是團隊近期關于光熱界面蒸發(fā)領域的最新進展之一，該團隊聚焦于結(jié)構(gòu)設計、抗鹽及高效水蒸發(fā)等問題，開展了一系列的水凝膠基光熱蒸汽轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新研究，致力于通過可持續(xù)的方式實現(xiàn)海水淡化和廢水處理。

  原文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/smll.202411780